两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响

王雨星，钟中，孙源，哈瑶

（解放军理工大学气象学院，江苏南京 211101）



两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响

王雨星，钟中，孙源，哈瑶

（解放军理工大学气象学院，江苏南京 211101）

摘 要：以WRF为试验模式，对比分析2种边界层参数化方案（YSU、MYJ）对台风“Megi”路径的影响。结果显示，“Megi”路径对边界层方案的变化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模拟结果，YSU方案模拟的边界层垂直混合作用和水汽垂直输送较强，因此对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的结果。分布于台风周围的水物质在对流层高层会以砧云的形态扩散至副高区域，砧云在对流层高层凝结放热增温，在低层形成降水蒸发吸热降温，影响副高区域上下层的温度分布，导致副高强度减弱、位置东退，最终造成台风提前转向。

关键词：天气学；边界层；台风路径；WRF模式；台风“Megi”

王雨星，钟中，孙源，等．两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响［J］．广东气象，2016，38（3）：17 -21．

自20世纪80年代以来，随着数值预报模式分辨率逐步提高，预报技术不断进步［1］，台风路径研究有了很大进展。对于稳定的西行或者西北行台风，预报误差较小，但是对于异常路径的台风，预报能力还有待提高。大量研究表明，台风的路径变化很大程度上受到大尺度流场的引导［2 -3］；对于登陆我国的台风而言，其路径很大程度上取决于副热带高压（简称副高）和台风之间的相互作用［4］。近年来，我国气象工作者在研究副高和台风相互作用方面已有诸多成果。黄莉莉等［5］研究发现，副高的稳定强大会导致台风路径的稳定和快速西行；蔡夏影等［6］通过对台风“康森”移动路径进行分析，得出台风的移动路径与副高位置和形状演变有密切关系；段朝霞等［7］的研究指出，大陆副热带高压的变化是台风“黑格比”移向西折的关键因素。因此，探讨副高和台风之间的关系，对台风路径变化的机理研究和业务预报十分有益。

而今，数值模式已然成为TC模拟和路径预报的重要手段，而模式包含的诸多复杂的物理过程对TC的发展和移动有重要影响。研究表明，模式中边界层参数化方案对台风中的物理量和环流有着重要影响［8 -8］。众多的研究一般都选取某个时次的台风个例进行模拟，并分析边界层方案对台风结构、强度、路径的直接影响。本研究与这些研究有所不同，利用中尺度数值模式WRF，对2010年第13号台风“Megi”登陆前后过程进行数值模拟，比较两种边界层参数化方案（非局地YSU方案和局地MYJ方案）模拟的台风和副高差异，提出台风对副高的反馈作用，并初步分析2种边界层参数化方案影响台风路径的原因。

1　模式及边界层方案

本研究所使用的模式为新一代高分辨率中尺度预报模式WRF（Weather Research and Forecast）。WRF模式是由美国环境预测中心（NCEP）、美国国家大气研究中心（NCAR）等美国科研机构中心着手开发的一种统一的中尺度天气预报模式。WRF模式为完全可压缩及非静力模式，水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向则采用地形跟随质量坐标。WRF模式不仅可以用于真实天气的个案模拟，也可以用其包含的模块组作为基本物理过程探讨的理论根据。

1．1WRF模式设置

模式采用1°×1°经纬度分辨率的NCEP/ NCAR再分析资料作为初值场，设置单重双向嵌套的模拟区域，水平分辨率为20 km，垂直方向分36层，模式层顶取为100 hPa。模拟区域中心点纬度为22°N，经度为122°E，网格数为160×180，区域积分时间步长为80 s。其它物理过程方案设置如下：微物理方案采用WSM 3 - class方案；长波辐射为RRTM方案；短波辐射为Goddard方案；表面层方案需要和边界层方案配合使用；MYJ方案使用Monin - obukhov（JANJIC）近地面层方案；YSU方案对应Monin - obukhov方案；陆面过程采用thermal diffusion方案。积分时间为2010年10月14日00：00（UTC）到2010年10月25日00：00（UTC）共264 h，包括了台风“Megi”生成、发展和登陆的全部过程。

1．2边界层参数化方案

本研究主要分析比较2种不同边界层参数化方案——局地MYJ（Mellor - Yamada - Janjic）方案和非局地YSU（Yonsei University）方案对台风路径预报的影响。

MYJ方案是行星边界层和自由大气中的湍流动能参数化方案，采用Mellor—Yamada2．5阶湍流闭合模式代表近地面层以上的湍流运动，湍流扩散系数是由湍流动能预报方程决定的，通过迭代算法求解湍流动能产生和耗散的偏微分方程，并对湍流长度系数也进行了修正［10］，适合研究精细的边界层结构。该方案用于所有稳定和弱不稳定的条件的边界层，但在对流边界层中，有较大偏差［11］。

YSU方案是一阶非局地K理论方案，是MRF方案的改进。YSU方案在湍流扩散方程中加入逆梯度项，考虑逆温层中夹卷作用造成的热量交换，对PBL顶的夹卷进行显式处理，增加了热量引起的自由对流机制下的边界层混合，减少了机械强迫引起的对流机制下的边界层混合［12］。相比于MRF方案，YSU方案对边界层高度的计算也有相应改进，减弱了湍流强度，更接近真实的边界层结构。

2　数值模拟结果对比分析

2．1路径对比分析

首先比较不同的边界层方案下“Megi”的路径差异。图1将2种不同边界层参数化方案（YSU和MYJ）下模拟的台风路径和美国联合台风预警中心（JTWC）发布的最佳路径（best track）进行了对比。最佳路径图上显示，台风初期路径较为稳定，先沿西北方向直行，后折向西南，进入南海后路径变得复杂，先西行，后略微南掉，再向西北方向移动，而后沿东北方向移动，最后沿西北方向登陆福建。从各时次的路径预报结果可以看出，在登陆吕宋岛之前，YSU方案和MYJ方案下的台风路径并没有显著差异，但在此之后，YSU方案模拟的台风比实际路径更早向北转向，并向台湾以东洋面移动；相比之下，MYJ方案中的台风继续西行并进入中国南海，其路径预报结果更接近于最佳路径。这表明，“Megi”路径对边界层参数方案的变化总体上是比较敏感的。

图1 两种参数化方案模拟的台风路径和实况路径（用OBS标示）

2．2形势场对比分析

西太平洋热带气旋台风的移动很大程度上决定于大尺度环境流场的引导，尤其受到500 hPa的西太平洋副热带高压的影响。于海鹏等［13］通过分析“Megi”移动过程得出，500 hPa流场始终是台风移向的决定因素。模拟不同边界层方案（YSU和MYJ方案）的2010年10月15 日00：00（UTC）的500 hPa位势高度场（图略），此时台风还未进入模拟区域，可以看出，2种方案模拟的副高强度和位置并没有明显差异，均呈纬向型分布。这表明，在台风不活跃期，边界层参数化方案的改变并不能直接对副高强度造成较大影响。图2为2010年10月18日00：00 （UTC）的500 hPa位势高度场，台风中心位于吕宋岛以西洋面，可以看出，YSU方案下的副高强度明显弱于MYJ方案。在YSU方案下，副高的主体位于台湾东部的西太平洋洋面上，原本的高压带已经断裂，台风位于副高西侧，受副高西侧较强的偏南风引导，相比之下，MYJ方案下模拟的副高主体延伸至我国内陆地区，台风处在副高南缘稳定的偏东气流中。对比2个时刻中的副高强度及位置可得，在台风活跃期，两方案模拟的副高强度有着明显差异，说明是由于不同边界层方案模拟的台风结构各异，进而影响到副高，间接导致2个方案模拟的副高强度有所不同。Y．Sun［14］在其研究中也得出了相似结论。

图2 2010年10月19日00：00（UTC）YSU（a）和MYJ（b）参数化方案模拟的500 hPa高度场（单位：gpm）

图3为2种边界层方案中区域平均（25°N—30°N，110°E—130°E）经向风和纬向风随时间变化。该区域基本可以代表台风周围环境的引导气流位置，来进一步比较2种边界层方案中台风受到的引导气流的区别。

图3 两种边界层方案中区域平均的经向风和纬向风时间演变

从图3中可以看出，在台风进入模拟区域时刻10月15日12：00，2种边界层方案模拟的风速和风向并没有明显差异，台风受稳定的东南风控制，沿西北方向移动，但随着时间的演变，2种边界层方案模拟的南风转变为北风，但风速变化不显著；2种方案模拟的东风逐渐加强，且MYJ方案模拟的东风风速大于YSU方案的模拟结果，台风向偏西方向移动。至18日之后YSU方案模拟的东风开始减弱，北风开始转变为南风，风速也逐渐加强，东风和南风风速差异减小，台风开始向偏北方向移动，MYJ方案的结果也有相应变化，但东风风速仍然远大于南风风速，台风继续向偏西方向移动。至20日后MYJ方案模拟的东风风速和南风风速差异开始减小，南风风速逐渐大于东风风速，台风随之向偏北方向移动，而YSU方案的模拟结果仍然为偏南风，台风北上。

大尺度环流从一种状态向另一种状态的转变将引起热带气旋周围环境引导气流的突然变化，从而导致热带气旋的运动发生变化。由此分析，由于YSU方案中的副高东退减弱并在台风所在经度断裂，呈经向型分布，台风在偏南气流引导下，提早北上转向；而在MYJ方案的模拟结果中，副高势力强盛，长轴呈东西向，脊线稳定在25°N—30°N之间，纬向型的流场继续引导台风西行。

综上所述，边界层方案对副高强度模拟的直接影响较小，而不同方案下模拟的台风差异才是影响副高强度的关键，即不同边界层方案是通过影响台风的模拟结果进而对副高的强度和分布造成显著影响的。由于台风模拟差异导致副高强度各异，使得台风周围环境引导气流有所不同，进而导致台风移动路径出现显著差异。

3　副高强度差异成因分析

边界层参数化方案描述了大气水汽、热量和动量等在边界层内的输送情况，而采用不同理论的参数化方案模拟的边界层结构特征必然有着很大差异。Brown［15］指出，MYJ方案是一个局地边界层方案，仅考虑模式垂直高度相邻层之间的湍流交换，在对流边界层中不能构造足够的混合作用，而在弱的垂直混合作用下，只能将相对少的水汽和热量输送至对流层高层［16］；Hong等［17］的研究指出，YSU方案是一个非局地边界层方案，考虑了由地面热通量引起的次网格湍流混合作用，加强了整层边界层湍流混合过程，能够将水汽和热量从表面传输至高层。图4为2种边界层方案模拟的台风从西行至转向前阶段路径区域平均（12°N—17°N，120°E—130°E）的地表向上输送水汽通量（QFX）时间分布。可以看出，在积分时间的大部分阶段，YSU参数化方案模拟的海表向上输送的水汽通量都明显大于MYJ参数化方案的模拟结果。这说明，由于YSU方案模拟的湍流混合作用较强，使得边界层中较多的水汽抬升至对流层高层，水汽在抬升过程中伴随着相变过程，并以水物质形态分布于台风周围，进而导致台风周围的水物质在高低层和周围区域的分布不同。

图4 两种边界层方案下区域平均的地表向上输送水汽通量时间分布

图5分析了2种边界层方案下距台风中心径向分布的水物质随高度变化情况，从图6中可以看出，在YSU方案中，水物质在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近存在高值中心，水物质在500 hPa高度以下基本分布于距台风中心300 km的范围内，只有小部分水物质扩散至距台风中心400 km左右，而在500 hPa高度以上水物质分布范围则很广，尤其在350 hPa高度到200 hPa高度之间，水物质甚至扩散至距台风中心800 km以外区域；而在MYJ方案下，虽然水物质在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近也存在高值中心，但值得注意的是，在800 hPa高度上，MYJ方案中模拟的水物质中心数值大于YSU方案中的模拟结果，而在400 hPa高度上，YSU方案中模拟的水物质中心数值明显大于MYJ方案中的模拟结果，这与2种方案中模拟的边界层垂直混合过程的差异有密切关系。由于YSU方案模拟的垂直混合作用较强，因此更多水汽能够输送至对流层高层，导致高层的水物质含量大于MYJ方案中的模拟结果，而MYJ方案模拟的垂直混合作用相对较弱，使得该方案在低层的水物质含量大于YSU方案中的模拟结果。从低层到高层，MYJ方案模拟的水物质基本分布于距台风中心400 km的范围内，只有少量的水物质扩散至距台风中心800 km以外区域。

从图5中分析可得，由于YSU方案模拟的边界层垂直混合作用强于MYJ方案的结果，使得更多的水汽输送至对流层高层，并以水物质的形态扩散至台风外围区域。Y．Sun［18］指出，当模式模拟的台风周围产生过多的水物质时，会造成台风附近区域对流层高层上的砧云量增多，砧云延伸至副高区域，在500 hPa高度以上砧云凝结释放热量，500 hPa高度以下形成降水，蒸发吸收热量，从而减弱副高的强度。

图5 YSU（a）和MYJ（b）边界层方案下距台风中心径向分布的水物质随高度变化

因此，由于YSU方案中模拟的边界层垂直混合作用较强，使得向上输送的水汽通量更强，导致对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的模拟结果，水物质以砧云的形态扩散至副高区域，并通过相变过程（高层凝结放热增温，低层蒸发吸热降温）影响副高区域上下层的温度分布，造成500 hPa高度以上增温、500 hPa高度以下降温，从而减弱副高强度，最终导致台风提前转向。

4　结论

以上结果表明，边界层方案对台风中的各种物理量和路径有着非常重要的影响，这些影响存在关联，相互制约。关于这方面的研究，国内外已有不少，这些研究一般都选取某个时次的台风个例进行模拟，并分析边界层方案对台风结构、强度、路径的直接影响。本研究的工作与这些研究有所不同，通过分析2种边界层方案下台风和副高的差异，得出“Megi”路径对边界层方案的变化有一定的敏感性，并相应分析台风路径变化的机理：由于2种方案模拟的边界层垂直混合作用的强弱不同，导致两者模拟的水汽通量垂直输送存在差异。YSU方案模拟的水汽通量垂直输送较强，因此对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的模拟结果，过多的水物质会以砧云的形态扩散至副高区域，砧云在对流层高层凝结放热增温，在低层形成降水蒸发吸热降温，导致副高强度减弱、位置东退，最终造成台风提前转向。

本研究的结论只是基于对台风个例“Megi”的研究而得出，还需要对更多台风个例进行研究。边界层方案对其他台风的路径影响与台风“Megi”是否有不同，仍需要进行更多的试验。

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Effects of Two Boundary Layer Schemes on the Track of Typhoon Megi

WANG Yu-xing，ZHANG Zhong，SUN Yuan，HA Yao
（Institute of Meteorology and oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 211101）

Abstract：Using the WRF model as an experimental model，we compared and studied the effects of two schemes of boundary layer parameterization，YSU and MYJ，on the track of Typhoon Megi．As shown in the result，the track of Megi shows some sensitivity to the change of the boundary layer scheme．Compared with the simulation with the MYJ scheme，the vertical mixing effect and vertical water vapor transport in the boundary layer simulated by the YSU scheme is stronger，and the content of hydrometeors is higher．The hydrometeors，distributed around Megi in the upper troposphere，spread to the area of the subtropical high in the form of anvil clouds to heat the atmosphere through condensation at the upper level and cool it by evaporation through precipitation at the lower level．As a result，the temperature distribution at the upper and low levels of the subtropical high is disrupted，causing the subtropical high to weaken and retreat to the east and eventually making the typhoon to turn earlier than usual．

Key words：synoptics；boundary layer；typhoon track；WRF model；Typhoon Megi

中图分类号：P44

文献标识码：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．004

收稿日期：2015 -08 -08

作者简介：王雨星（1884年生），男，硕士，主要从事数值模拟工作。E - mail：lgdx_wyx＠163．com